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多轴式空气压缩机甩负荷的原因分析及对策

2013-01-17 14:08:45 点击数:

摘要:对大化肥多轴式空气压缩机的控制原理进行了详细地描述,并对因操作人员调整机组的运行参数,造成压缩机两次放空阀打开、甩负荷以及切断二段炉空气的事故进行了深入地分析,最终确认事故的原因,并采取了相应的对策,以避免此类问题的再次发生。
关键词:多轴式空气压缩机;放空阀;甩负荷
中图分类号:TH45      文献标志码:B
Cause Analysis and Countermeasure of Load Rejection for Air Compressor with Multi-shaft Type
Abstract:This paper described the control principle of air compressor with multi-shaft type used for Large Scale Chemical Fertilizer in great detail and deeply analyzed the cutting off air accident of the secondary reformer, which caused by operator adjusting the unit running parameter to make the full open of blow off valve and load rejection of air compressor in twice. The accident reason is confirmed finanly and the countermeasure is taken and the similar problem is avoided appearing again in operating later.
Key words: air compressor with multi-shaft type; blow off valve; load rejection
0    引言
  塔里木化肥是年产45万吨合成氨/80万吨尿素项目。对于合成氨装置,工艺空气压缩机选用德国Atlas Copco 公司生产的多轴离心式压缩机 ,其驱动设备为杭汽生产的中压注汽凝汽式汽轮机。该项目于2010年5月投入正常生产,从运行至今,因操作人员调整机组的运行参数,造成空气压缩机两次甩负荷、一段二段放空阀打开以及切断二段炉空气,除了一段炉及脱碳装置以外,造成其它所有装置停车,为此成立了调查组对事故进行了调查、分析,找出了事故的原因,提出了防范措施。
1   多轴式空气压缩机的简述
1.1    工艺描述

  空气压缩机用于化肥合成氨装置,压缩机带增速齿轮箱,由蒸汽汽轮机驱动,中间齿轮箱安装在压缩机齿轮箱和汽轮机之间,来降低输入到压缩机齿轮箱的转速,压缩机由两段组成,一段为四级压缩,二段为两级压缩,水冷器分别安装在一、二、三及四级出口,在正常运行时,来自过滤器的大气空气58 820Nm3/h,在四级出口被压缩到1.42MPa(A),然后被冷却到34.5℃,其中一部分被抽出作为仪表空气和尿素防腐空气之用,另一部分进入压缩机的二段,从一段来的空气53 840Nm3/h被二段压缩至3.82MPa(A)、 167℃进入二段炉进行燃烧。其压缩机状态监测图,见图1。
1.2 压缩机的控制描述
  压缩机的流量及压力由一、二段IGV(进口导叶)控制,打开IGV增加压缩机流量及下游压力,关闭IGV反之。在稳定运行时,离心压缩机要求有最小容积流量,只要压缩机流量低于该最小的容积流量,叶轮内的流量就会停滞,发生喘振,对机械部件造成很大的应力,因此应该避免该现象的发生[1] 。在压缩机达到最小流量前放空阀打开,为了确保压缩机远离喘振线,在DCS中安装了防喘振控制系统,在压缩机进入喘振之前,由其控制打开防喘振阀。
  1) 为确保压缩机稳定操作,甚至在减小流量的情况下运行压缩机,压缩机配备了放空阀,该阀门用来弥补当前与最小容积流量的差额。放空阀通过喘振控制器进行控制。稳定和不稳定运行的分界线称作喘振线,其喘振线取决于多种因素如温度、压力等。对喘振线要留一定的安全余量,这条安全线称为放空线,它与喘振线平行,其安全余量是设计流量的8%,以确保压缩机稳定、安全运行,见图2[1]

图1 压缩机状态监测图

图2 压缩机的喘振控制线

  2) 防喘振阀和导叶(IGV):压缩机的流量(0~100%)是由防喘振阀和导叶控制的,一段流量的导叶调节范围仅为额定流量的30%,也就是说,通过导叶调整可使额定流量从100%减少到70%,如果流量需减到70%以下时,只能通过一段放空阀来进行调整,当装置需求量大于70%时放空阀将完全关闭,当一段放空阀关闭时,一段导叶将开始从最小操作位置(大约-55°)打开。
  二段流量导叶的调节范围仅为额定流量的38%,也就是说,通过导叶调整可使额定流量从100%减少到62%,如果流量减到62%以下时,只能通过二段放空阀来进行调整,当装置需求量大于62%时放空阀将完全关闭,当二段放空阀关闭时,二段导叶将开始从最小操作位置(大约-60℃)打开。
  3) 通过导叶(IGV)对压缩机的流量控制。对于一段流量,由一级进口的可调式导叶来控制其流量,导叶的位置角度由气动执行器来调节,其位置角度范围为-55°~+20°相当于开度为0~100%。
  对于二段流量,由五级进口的可调式导叶来控制其流量,导叶的位置角度由气动执行器来调节,其位置角度范围为-60°~+20°相当于开度为0~100%。
  4) 一段控制原理:控制器01FIC4201必须设置在自动模式,它的任务是防止压缩机喘振,同时在极端的条件下打开放空阀01FV4204,一段喘振流量的设定值为3 450m3/h,包括实际喘振流量加安全余量,当压缩机的一段测定流量大于设定值,一段放空阀关闭,当小于设定值一段放空阀打开,电信号4mA对应的放空阀的开度为100%,20mA对应的开度为0。
      二段喘振流量的设定值为1 750m3/h,二段控制原理与一段相同。
  5) 一段出口压力控制器01PIC4207是一个限定安全控制器,它由DCS进行控制,运行时应放置自动模式,其作用是防止一段出口压力超过最大的允许值1.5MPa(G)。在极端操作条件下,当其压力超过1.5MPa(G)时,一、二段放空阀会瞬间全开,当小于其值时关闭,经模拟试验,当压力大于1.5MPa(G)时在2秒内放空阀全开。
  二段出口压力的最大允许值4.2MPa(G),其控制原理与一段相同。
  6) 当汽轮机转速在4 690r/min以下时,一段导叶处于最小位置(-70°),二段导叶处于(-75°)。当转速从4 690r/min升至4 750r/min时,由压缩机PLC发出指令一段导叶逐渐调至最小操作位置(-55°),二段导叶逐渐调至(-60°)。
  当汽轮机转速升至最小转速5 743r/min以上时,在全自动模式下,可对压缩机进行加载,在IGV画面上逐步增加一、二段出口压力的设定值,先放空阀逐渐关闭,当全关后,进口导叶才逐步打开,完成加载。
  需卸载时,减小一、二段出口压力的设定值,先导叶逐步关闭,当完全关闭后,放空阀才开始逐步打开,完成卸载。
  当透平的转速降至5 743r/min以下时,电磁阀失电,一、二段放空阀瞬间全开,导叶瞬间全关。
  7) 当压缩机流量进入喘振线以内时,就会被记录一次,当防喘振的次数达到厂商设定的极限喘振次数时(在一定时间内),压缩机报警,超过后,DCS发出指令机组跳车。
  8) 一段功率极限控制器是一个安全控制器,它是在极端的操作条件下才能被触发,其作用是保证压缩机一、二段功率在最大允许值内运行。当压缩机一段功率大于允许值8 965kW,二段功率大于3 465kW时,功率控制器将发出指令使导叶关闭。
2    压缩机甩负荷原因分析及对策
2.1    第一次甩负荷

  2011年1月5日6点59分压缩机一段、二段放空阀突然打开,机组甩负荷,造成二段炉断空气的事故。
2.1.1 原因分析
  通过分析Atlas Copco 公司多轴离心式压缩机控制系统的描述得知,造成压缩机甩负荷、放空阀突然打开的原因有两个:
  其一,当汽轮机的转速降至5 743r/min以下时,电磁阀失电,一、二段放空阀瞬间全开;
  其二,当压缩机一段出口压力超过1.5MPa(G)或二段出口压力超过4.2MPa(G)时,一、二段放空阀会瞬间全开。
  2011年1月5日压缩机甩负荷时,其运行状况见图3。

图3 压缩机运行状况图

  对其运行状况观察及分析得到表1。

表1 压缩机运行状况表

名称

位号

运行点

运行指标

时间

一段导叶开度控制信号值(开度)/%

y01ZC420

开始关闭时刻

7.088

06:46:54

完全关闭

0

06:58:51

一段导叶实际开度值/%

a01ZT4201

开始关闭时刻

30.723

06:46:54

完全关闭

24.305

06:58:51

一段出口压力/Kpa(g)

a 01PT 4207

正常运行

1451.465

 

一段放空阀开度控制信号值 (开度/%

y01ZC420

打开时刻

100

06:59:49

一段放空阀实际开度值/%

a01ZT420

打开时刻

100

07:02:48

二段导叶开度控制信号值(开度)/%

a01ZT4204

开始关闭时刻

17.513

06:46:54

完全关闭

0

07:00:24

二段导叶实际开度值/%

a01ZT4202

开始关闭时刻

28.358

06:46:54

完全关闭

11.034

07:00:24

二段出口压力/ Kpa(g)

a 01PT 4206

正常运行

3861.264

 

二段放空阀开度控制信号值(开度)/%

y01ZC4203

打开时刻

100

07:02:58

二段放空阀实际开度值/%

a01ZT4203

打开时刻

100

07:02:58

透平转速/(r/min)

P01SE4271

正常运行

5904.059

 

  分析表1,发现汽轮机的转速p01SE4217在放空阀打开前几乎没有变化,其转速基本保持在5 904r/min左右,远大于5 743r/min,所以转速不是导致一、二段放空阀打开的原因。
进一步对压缩机运行状态表分析发现以下情况。
  1) 2011年1月5日6点46分54秒一、二段导叶开始逐渐关闭,6点58分51秒一段导叶开度控制信号y01ZC4201值已为0,而一段导叶的实际开度a01ZT4201为24.305%(Atlas设定值),紧接着07点00分24秒二段导叶控制信号y01ZC4202值为0,而二段导叶的实际开度a01ZT4202为11.034%(Atlas设定值),说明此时DCS已认定一、二段导叶已完全关闭。
  2) 6点59分49秒DCS发出指令打开一段放空阀,到7点2分48秒一段放空阀a01ZT4204才突然全开,紧接着07点02分58秒二段放空阀a01ZT4203突然全开。
  3) 在事故前,一段出口压力a01PT4207为1.451MPa(G), 二段出口压力a01PT4206为3.861MPa(G),这就是一、二段出口压力的当时操作设定值。
  4) 通过空气压缩机出口阀FV2011开度的历史曲线发现,在6点25分22秒阀门的开度为60.30%,而7点01分22秒阀门的开度为41.00%,查装置的原料气变化情况,可确定该阶段装置负荷有较大的变化。
  通过上述分析,可以做以下推断:当装置负荷变化后,为防止二段炉超温,操作人员通过关小压缩机出口阀FV2011来减少二段炉的空气供应量,关小出口阀造成一、二段出口压力上升,因一、二段出口压力的限定(一段1.451MPa(G), 二段3.861MPa(G)),压缩机会自动通过关小导叶来稳定其压力,当DCS输出的控制导叶开度信号,即导叶开度值为0时,操作人员仍然在关小出口阀,这时通过导叶控制压力的手段已用完,压缩机一段出口压力很快超过1.451MPa(G)直逼1.5MPa(G),6点59分49秒当压力达到1.5 MPa(G)时,DCS发出指令一段放空阀打开,但此时放空阀并没有打开,7点02分48秒一段放空阀突然打开,但紧接着二段放空阀打开,二段炉断空气,装置停车。因二段出口压力设定值为3.872MPa(G)与4.3MPa(G)相距甚远,所以放空阀打开是一段造成的,并非二段。
  放空阀实际打开与DCS发出指令相比推迟2分59秒,其原因可能是放空阀被卡(当时环境温度在-18℃以下,放空阀管内结冰,或其它情况)。
  据上述推论不难得出,导致压缩机甩负荷、放空阀打开,二段炉断空气的原因是:
  1) 在压缩机运行时,操作工过高设定了一段出口压力值1.451MPa(G),接近压力限定值1.5MPa(G),正常情况为1.32MPa(G);
  2) 操作工采用了不适当的方式,即通过关小压缩机出口阀FV2011(开度60%→41%)来减少装置的空气量。
2.1.2  对策及效果
  为防止此类事故的再次发生,技术人员对各项实际操作数据进行了监控,发现当一段出口压力小于1.4MPa(G)时,会使得二段压比过大,往往造成二段功率超标,大于3 465kW,机组报警,对此,征得Atlas Copco 公司同意后提出了如下操作要求。
  1) 严格控制压缩机的操作指标,要求压缩机一段出口压力严格控制在1.4MPa(G)以下,二段出口压力从37.2MPa(G)调整到39MPa(G)。
  2) 不允许通过压缩机出口阀FV2011来减少空气供给量,而只能通过压缩机来减量,即保证压缩机转速恒定,通过机组的导叶和放空阀进行卸载。也就是操作人员改变一、二段出口压力的设定值,压缩机先自动逐步关闭一、二段导叶,当导叶完全关闭后,放空阀才开始逐步打开,完成卸载,这样既安全又节能。
  2011年1月21日接到生产运行处的通知,因尿素装置负荷较低,氨罐较高,要求合成氨装置负荷从100%减至70%,白班操作人员严格按上述规定对空气进行减量,逐步改变一、二段出口压力的设定值,使一段出口压力从1 390kPa降至1 340kPa,二段出口压力从3 882kPa降至3 617kPa,压缩机空气量自然从58 582Nm3/h下降至41 010Nm3/h,顺利完成了减负荷,未造成压缩机一、二段放空阀打开,装置断空气的重大事故。

  其后,合成装置进行过多次减负荷,各班采用上述方法进行减空气量,均未发生压缩机一、二段放空阀打开的事故,从理论和实践均证明该措施是安全、可靠的。
2.2 第二次甩负荷
  2011年9月12日凌晨1点22分在增大汽轮机注汽量时,压缩机一段、二段放空阀突然打开,压缩机甩负荷,造成二段炉断空气,装置停车的又一起事故。
2.2.1  原因分析
  透平压缩机设计注汽压力为0.34MPa(G),其注汽量正常值为8.3t/h,最大值12.5t/h,因低压蒸汽富余量较多,为节能降耗,9月12日凌晨1点,操作人员将注汽量逐渐地提高,当从9.1t/h提升至12.5t/h时,空气压缩机突然甩负荷,二段炉切空气,继而合成气压缩机、氨压缩机跳车,装置停车。
  透平空气压缩机注汽量大小由气动调节阀PV7052进行调节见图4。

图4 注汽阀控制示意图

  其控制模式分为手动或自动,其控制逻辑为,正常情况下注汽阀由低压管网的压力进行控制,同时检测注汽流量,当注汽量接近12.5t/h时,由流量控制代替压力控制,以保证最大注汽量不超过12.5t/h,注汽阀PV7052在手动控制模式,当在计算机屏幕上通过PIC7052上调注汽量接近12.5t/h时,其阀门由压力控制立即转为流量控制FIC7045,其阀位控制为0.0354%见图4,阀门立即关闭,注汽流量切断,这时注汽阀又转入压力控制,流量又立即接近12.5t/h,如此往复循环见图5,使进入汽轮机的蒸汽量忽大忽小,因汽轮机调速机构无法满足如此快速的变化,造成汽轮机转速忽高忽低,当汽轮机的转速降至5 743r/min以下时,电磁阀失电,一、二段放空阀瞬间全开,查转速历史记录,发现压缩机甩负荷时,其转速正好在5 743r/min以下。

图5 注汽流量波动示意图

  通过上述分析得出,导致压缩机甩负荷的原因是:在注汽阀手动模式情况下增加注汽流量,使阀门由压力控制转为流量控制,造成注汽阀时而打开时而关闭,汽轮机转速大幅度上下波动,其值达到5 743r/min时,压缩机放空阀打开、甩负荷。
2.2.2 对策及效果
  为防止此类事故的再次发生,做了以下操作规定。
  1) 装置运行时,注汽阀PV7052要至于自动模式,因从开车以来该模式未经过调试和试用,为防止出现意外,现暂时不投用。
  2) 注汽阀PV7052至于手动模式,要求其注汽量在10t/h以下运行。
  通过以上要求,压缩机运行至今再也没有出现此类事故。
3   结论
  通过对事故原因的分析使我们认识到多轴式压缩机的控制很复杂,引起压缩机停机、甩负荷的原因较多,这就要求在分析、查找问题时,要认真消化厂商资料,同时要结合现场实际,对可能引起问题的原因逐项排查,才能找到事故的根源。两次停车造成了巨大的经济损失,教训是深刻的。

参 考 文 献

[1] 张锡德,杨德辽,邵士铭,等.多轴式空气压缩机在大化肥上的运用.石油化工设备技术,2011,32(6):30-36,39.

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